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Il satellite Microscope conferma il principio di equivalenza

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A scuola, a tutti noi è stato insegnato uno dei fatti più controintuitivi sul mondo fisico: due oggetti di massa disuguale lasciati cadere nel vuoto raggiungeranno il suolo simultaneamente.

Galileo testò questo principio di equivalenza dalla cima della Torre Pendente di Pisa, e così ha fatto l’astronauta David Scott facendo cadere un martello e una piuma di falco sulla superficie della Luna nel 1971. Eppure, potremmo trovare queste osservazioni sconcertante, in quanto il buon senso ci direbbe che un oggetto più pesante dovrebbe cadere più velocemente di uno più leggero. Ma la gravità è un’interazione peculiare.

Per capire questa forza, e cosa potrebbe dirci su altri misteri, come la materia oscura e l’energia oscura, dobbiamo testarla con precisione sempre maggiore. I nuovi risultati della missione spaziale MICROSCOPE hanno fatto proprio questo. L’esperimento ha verificato che due masse di titanio e platino a bordo di un satellite in orbita attorno alla Terra cadono esattamente allo stesso modo con una precisione di 1 parte per 10151015. Questa conferma pone limiti più severi alle alternative alla relatività generale, che è attualmente il nostro miglior modello di gravità.

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Il principio di equivalenza fu discusso per la prima volta all’inizio del XVII secolo da Keplero e Galileo, prima di riapparire più tardi nella teoria della gravità di Newton. Questa teoria afferma che la forza gravitazionale tra due corpi massicci è proporzionale al prodotto delle loro masse gravitazionali. La massa gravitazionale è una caratteristica dei corpi massicci, che svolge per la gravitazione lo stesso ruolo della carica elettrica per gli oggetti carichi. Ma questa non è l’unica massa nelle teorie di Newton: la seconda legge del moto afferma che la massa inerziale mette in relazione l’accelerazione di un corpo con la forza che agisce su quel corpo.

Quindi, i corpi massicci hanno potenzialmente due masse, la gravitazionale e l’inerziale, ma Newton presumeva che fossero la stessa cosa.

Questa straordinaria previsione fu testata per la prima volta da Newton al livello di 1 parte per 1000 usando pendoli e impiegando il loro periodo di oscillazione. Sfere di diverse masse attaccate a un pendolo dovrebbero oscillare con la stessa frequenza, una proprietà comunemente usata negli orologi.

Il primo miglioramento su questa misura fu ottenuto nel XIX secolo da Friedrich Bessel che confermò l’equivalenza con una precisione di 1 parte ogni 100.000. Misurazioni più accurate apparvero alla fine del XIX secolo con il lavoro del fisico Loránd Eötvös, che utilizzò un pendolo di torsione per confermare il principio di equivalenza con una precisione di 1 parte per 109109. In onore di questo esperimento pionieristico, il rapporto tra la differenza di accelerazione di due corpi massicci e la loro accelerazione media è chiamato parametro di Eötvös, il𝜂. Il principio di equivalenza lo postula il𝜂è zero.

L’esperimento di Eötvös aiutò a inaugurare la prossima rivoluzione nella nostra comprensione della gravitazione: la teoria della relatività generale di Einstein, pubblicata nel 1915. Einstein usò il principio di equivalenza verificato sperimentalmente come base della sua teoria.

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In un famoso esperimento mentale, ha immaginato di mettere una persona che tiene una mela in un ascensore proprio mentre i cavi vengono tagliati accidentalmente. Durante la caduta libera, la persona lascia andare la mela, che rimane al suo posto invece di cadere a terra. La gravità sembra essere disattivata a causa del principio di equivalenza. Einstein è andato ancora oltre e ha postulato che la gravitazione è un’illusione; che i corpi in movimento sono semplicemente in caduta libera nello spaziotempo. L’intera costruzione di Einstein della relatività generale si basa sulla validità del principio di equivalenza.

Uno dei modi, quindi, per verificare la relatività generale è testare il principio di equivalenza. I progressi nella misurazione del parametro Eötvös sono stati costanti nel XX secolo; raggiungere livelli di η1013𝜂≤10−13con l’esperimento Eöt-Wash (una versione aggiornata del bilancio di torsione di Eötvös presso l’Università di Washington) e con l’esperimento di raggio laser lunare (LLR). Come la caduta della piuma e del martello di Scott, LLR è un test del principio di equivalenza assistito da astronauti, utilizzando specchi installati sulla Luna durante la missione Apollo per riflettere i potenti raggi laser inviati dalla Terra. La luce riflessa aiuta a rilevare minuscole deviazioni nella traiettoria lunare, che verrebbero poi interpretate come una violazione del principio di equivalenza da parte del sistema Terra-Luna che cade nel campo gravitazionale del Sole.

L’esperimento MICROSCOPE, realizzato dal Centro nazionale francese di studi spaziali (CNES), è il passo successivo nella ricerca della perfetta conferma del principio di equivalenza. Lanciato nel 2016, il satellite ha orbitato intorno alla Terra per due anni a un’altitudine di 710 km. Essendo nello spazio, l’esperimento si è liberato da molte delle incertezze sistematiche inerenti alle misurazioni legate alla Terra, come il rumore delle vibrazioni sismiche o le variazioni del campo gravitazionale causate dalle montagne.

Nell’esperimento, due cilindri coassiali di titanio e platino sono stati posti in caduta libera nel campo gravitazionale terrestre. I cilindri sono stati tenuti in posizione da forze elettrostatiche che hanno corretto le minuscole perturbazioni sul satellite. I ricercatori hanno cercato deviazioni in quelle forze di correzione, che avrebbero segnalato che i due cilindri stavano cadendo a velocità leggermente diverse e che l’equivalenza è stata violata. Nel 2017, hanno pubblicato i loro primi risultati, senza mostrare alcun segno di violazione a livello di η1014𝜂≤10−14. La nuova pubblicazione del team MICROSCOPE conferma il risultato precedente, raggiungendo la sensibilità prevista dalla missione di η1015𝜂≤10−15.

Questo importante risultato è il primo vincolo sperimentale controllato sul principio di equivalenza ottenuto nello spazio. Molte teorie della cosmologia prevedono l’esistenza di nuove interazioni, che potrebbero influenzare il principio di equivalenza a diverse scale nell’Universo e in particolare nel Sistema Solare. Alcune teorie costruite per spiegare l’energia oscura, ad esempio, prevedono che il principio di equivalenza potrebbe essere violato in orbita attorno alla Terra, affermazioni che sono state recentemente riviste. La prossima generazione di esperimenti proposti come MICROSCOPE 2 dovrebbe raggiungere un livello di precisione di η1017𝜂≤10−17e ancora una volta spingendo le teorie al limite.

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I fisici sperano che alla fine questi esperimenti di precisione rivelino violazioni che possono portare a nuove teorie fisiche per spiegare la materia oscura o l’energia oscura. Le prove della materia oscura e dell’energia oscura provengono da osservazioni su larga scala, come quelle del fondo cosmico a microonde e delle supernove lontane. Le future indagini sulle galassie metteranno alla prova diversi modelli cosmologici sondando il modo in cui le galassie “cadono” l’una verso l’altra mentre si raggruppano.

Possiamo seriamente immaginare che la materia oscura e l’energia oscura potrebbero essere spiegate in futuro con una modifica della relatività generale su scala cosmica. E grazie all’unità della fisica su tutte le scale, ci aspettiamo che una tale modifica alla fine sia rilevabile su scale più piccole sotto forma di violazione del principio di equivalenza negli esperimenti di laboratorio e satellitari.

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